W ostatnich latach wiele uwagi poświęcono czyszczeniu laserowemu i usuwaniu farby, ponieważ tradycyjne metody usuwania farby, takie jak piaskowanie i chemiczne usuwanie farby, powodują duże zanieczyszczenie środowiska. Najwyższy czas skorzystać z rozwiązań w zakresie usuwania zielonej farby. Odpowiednio kontrolując parametry, takie jak szerokość impulsu, gęstość energii, częstotliwość powtarzania i rozmiar wiązki, lasery można wykorzystać do wykonywania wysokiej jakości prac i usuwania powłok. [Odnośnik 1] Zalety laserowego usuwania farb można podsumować w następujący sposób:
● Mniej materiałów eksploatacyjnych
● Zmniejszona ilość odpadów wtórnych
● Brak uszkodzeń mechanicznych podłoża w wyniku stosowania kontrolowanych parametrów lasera
● Lepsza przyczepność dzięki zmniejszonej chropowatości powierzchni
● Szybciej niż tradycyjne metody
● Bardziej wydajne niż metody tradycyjne
Czyszczenie laserowe można przeprowadzić na dwa sposoby. Pierwszą z nich jest ablacja laserowa, podczas której impuls o wysokiej energii lub intensywna wiązka fali ciągłej wytworzy plazmę w powłoce, a fala uderzeniowa generowana przez plazmę rozerwie powłokę na cząstki. Drugi to rozkład termiczny, podczas którego wiązka fali ciągłej o niższej energii lub długi impuls może ogrzać powierzchnię i ostatecznie odparować powłokę.
Niezależnie od mechanizmu, niekontrolowane parametry lasera mogą uszkodzić podłoże i spowodować problemy. Do czyszczenia laserowego można używać zarówno laserów ciągłych, jak i impulsowych, ale konieczne jest zrozumienie różnych efektów, jakie te lasery wywołują na różnych podłożach. Absorpcja lasera ciągłego przez podłoże zależy od jego długości fali, przy czym krótsze fale zazwyczaj powodują większą absorpcję. Z drugiej strony, w przypadku klasycznego lasera impulsowego głębokość wnikania LT w podłoże jest niezależna od długości fali i zależy od szerokości impulsu τp lasera i współczynnika dyfuzji D podłoża, jak pokazano w równaniu 1.
W przypadku klasycznego lasera impulsowego wzrost szerokości impulsu zwiększa próg ablacji, który definiuje się jako minimalną energię wymaganą do usunięcia jednostki objętości materiału zgodnie z następującym równaniem:
gdzie ρ to gęstość, a Hv to ciepło parowania (ilość ciepła potrzebna do odparowania jednostkowej masy materiału w dżulach na gram). Zatem dłuższe impulsy zmniejszają skuteczność ablacji. Klasyczne lasery impulsowe zależą również od częstotliwości powtarzania impulsów, gdzie skuteczność ablacji wzrasta wraz ze wzrostem częstotliwości powtarzania.
Przeprowadzono badanie w celu zbadania trybu pracy CW i impulsowego lasera przy użyciu lasera światłowodowego 1,07 μm [Ref 2]. W tym badaniu ten sam laser CW był włączany i wyłączany w celu wytworzenia impulsów o dużej szerokości. Badanie to wykazało, że w trybie CW energia właściwa (definiowana jako energia wymagana do usunięcia jednostkowej objętości materiału (mm3) w dżulach i odwrotnie proporcjonalna do wydajności ablacji) maleje wraz ze wzrostem prędkości skanowania i mocy lasera. W przypadku trybu impulsowego stwierdzono, że skuteczność ablacji zależy od cyklu pracy (stosunek szerokości impulsu do odstępu czasu pomiędzy dwoma impulsami). Zwiększając cykl pracy, wzrosła skuteczność ablacji. Inaczej jest w przypadku klasycznych laserów impulsowych, gdzie przy stałej częstotliwości powtarzania zwiększenie szerokości impulsu (a tym samym cyklu pracy) zmniejsza skuteczność ablacji. Rysunek 3 porównuje energię właściwą w funkcji mocy i prędkości skanowania dla lasera CW o częstotliwości 1 kHz i lasera impulsowego (tj. lasera CW włączanego i wyłączanego) na podłożu ze stali nierdzewnej.
Laser impulsowy (czyli laser CW włączany i wyłączany) ma moc szczytową 1800 W i moc średnią prawie taką samą jak laser CW, ale jak widać na rysunku, energia właściwa jest prawie 2 razy mniejsza . Tryb impulsowy a tryb CW. Wydaje się, że tryb CW powoduje większe straty niż tryb impulsowy, ponieważ moc lasera zawsze ma wartość szczytową.
Jednakże tryb, w którym działa laser, nie jest jedynym czynnikiem branym pod uwagę przy podejmowaniu decyzji, czy do czyszczenia laserowego zastosować laser impulsowy (tj. z falą ciągłą), czy też laser z falą ciągłą. Kolejnym ważnym czynnikiem jest wzór skanowania. Ważne jest, aby czas interakcji wiązki lasera z powłoką był krótki, aby efekt uszkodzeń termicznych był minimalny. Można to osiągnąć za pomocą krótkich impulsów o dużej intensywności szczytowej lub za pomocą ciągłego lasera i dużych prędkości skanowania.
Biorąc pod uwagę, że ciągła moc lasera jest generalnie mocniejsza, tańsza i bardziej wytrzymała niż lasery impulsowe, nie jest to zły wybór do czyszczenia laserowego. Niestety, skanery galwanometryczne tradycyjnie używane do czyszczenia laserowego nie radzą sobie z laserami wielokilowatowymi. Skanery galwanometryczne stosowane w laserach dużej mocy są również dość ciężkie i nie mogą pracować z dużymi prędkościami skanowania. Dlatego zaproponowano nowy typ skanera, zwany skanerem wielokątnym, który ma tylko jedną ruchomą część, wielokąt [Odnośnik 3]. Te skanery wielokątne są w stanie obsłużyć wyższą moc lasera i okazały się trzy razy szybsze niż skanery galwanometryczne. Przy niewielkich prędkościach obrotowych skanery wielokątne mogą generować prędkości skanowania powierzchni przekraczające 50 metrów na sekundę. Ta duża prędkość skanowania pozwala na krótkie czasy interakcji wiązki z powierzchnią roboczą i pozwala na zastosowanie bardzo dużych mocy lasera. Rysunek 4 przedstawia konstrukcję skanera wielokątnego.
Podsumowując, wybór zastosowania lasera CW lub lasera impulsowego (tj. lasera CW lub klasycznego lasera krótkoimpulsowego, który jest włączany i wyłączany) do czyszczenia laserowego zależy od kilku czynników, takich jak rodzaj podłoża, chłonność powłoki, i koszt lasera. Połączenie skanera wielokątnego i lasera ciągłego może zapewnić dużą prędkość skanowania i jest obiecującą opcją, którą można rozważyć, gdy nie są dostępne klasyczne lasery impulsowe.
